Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.) - Владимир Карцев

приходится увеличивать объем и массу катушки по сравнению с теми, которые она

имела бы, если бы характеристики короткого и длинного кусков проволоки

совпадали. Это очень невыгодно по экономическим соображениям: сверхпроводящая

проволока пока еще дорога (несколько сотен рублей за 1 кг).

В настоящее время проблему деградации интенсивно исследуют. Иногда с ней удается

справиться. Уменьшению деградации способствует, например, покрытие

сверхпроводящей проволоки медью. Выяснилось, что при увеличении толщины слоя

меди свойства сверхпроводящих соленоидов значительно улучшаются. Поэтому

некоторые исследователи пришли к выводу, что наилучшим материалом для

сверхпроводящих магнитов является… медь, в которую впрессован сверхпроводник!

В таких системах эффект деградации полностью отсутствует.

Как ни странно, другая проблема, считавшаяся одной из наиболее

труднопреодолимых, оказалась на поверку сравнительно простой. Речь идет о том,

что сверхпроводимость известных до сих пор соединений существует лишь при

температурах, очень близких к абсолютному нулю. Так, ни один из известных

сверхпроводников не может оставаться в сверхпроводящем состоянии при температуре

выше 24 К. Не очень радуют и прогнозы физиков-теоретиков. Они установили, что

принципиально невозможно получить материал, остающийся сверхпроводящим при

температурах выше 40 К, т. е. выше -233 °C. Тем не менее поиск

сверхпроводников, не теряющих сверхпроводимости при 30…40 К, ведется весьма

активно.

Для получения низких температур пользуются гелием, превращающимся в жидкость при

4,2 К. Даже самые незначительные количества тепла, проникшего в сосуд, где

содержится жидкий гелий, способны вызвать его быстрое испарение, поэтому жидкий

гелий надо хранить в специальных сосудах, имеющих исключительно хорошую

теплоизоляцию.

Решать эту проблему конструкторам сверхпроводящих магнитов фактически не

пришлось. Они воспользовались плодами разработок, проведенных теми, кто

занимался вопросами освоения космоса. Успехи ученых и инженеров СССР и США,

работающих над задачей хранения ракетного топлива в сосудах-криостатах, привели

к созданию надежной конструкции и эффективного способа изоляции таких сосудов. В

них можно хранить жидкий гелий в течение нескольких месяцев.

Наиболее прогрессивным до сего времени методом охлаждения газообразного гелия

является метод получения его в жидком виде с помощью созданного академиком

П.Л.Капицей в 1934 г. поршневого детандера. Сущность этого метода заключается в

том, что газообразный гелий расширяется в специальном сосуде — детандере, толкая

при этом поршень, т. е. совершает некоторую работу, отдавая энергию. При этом

гелий охлаждается. Многократно повторяя цикл, можно в принципе добиться того,

что гелий охладится до 4,2 К и превратится в жидкость. Чаще всего, однако,

охлаждение гелия в поршневом детандере сочетается с другими способами

охлаждения, например дросселированием.

При дросселировании предварительно сжатый и охлажденный гелий пропускается через

узкую щель — дроссель, где он расширяется. Физическая сущность охлаждения при

дросселировании (эффект Джоуля — Томсона) состоит в том, что при увеличении

объема газа, происходящем при расширении в дросселе, межмолекулярные расстояния

в газе растут, при этом совершается некоторая работа против сил притяжения. Газ

теряет свою внутреннюю энергию и, следовательно, охлаждается.

Один из "классических" детандерных ожижителей гелия создан в Институте

физических проблем АН СССР. Опишем принцип его работы.

Поршневой компрессор сжимает гелий, поступающий из газгольдеров, и подает его в

ожижитель. Туда поступает около 350 м3/ч газообразного гелия, сжатого до 22…23

атм. Сначала гелий охлаждают в ванне с жидким азотом (70 К). Затем часть

охлажденного гелия поступает в поршневой детандер, где гелий расширяется,

заставляя двигаться поршень, причем температура гелия в это время падает до

11…12 К. Холодный гелий используется теперь для охлаждения новых порций гелия.

Другая часть газообразного охлажденного гелия поступает в так называемую

дроссельную ступень, где газ заставляют пройти через дроссель. При этом уже

основательно охлажденный газ еще больше охлаждается, частично превращаясь в

жидкость (сжижается примерно около 10 % первоначально имевшегося количества

гелия).

Производительность аппарата 45 л/ч, расход электроэнергии 2,5 кВт·ч/л

жидкого гелия. Такая производительность, однако, не предел. За последние годы в

СССР и США созданы гелиевые ожижительные установки производительностью 200 л/ч и

более. Мала или велика эта производительность?

Теплота испарения жидкого гелия настолько низка, что электролампочка мощностью 4

Вт, работающая в жидком гелии, испарила бы более 50 л жидкого гелия за 1 ч!

Тем не менее полное отсутствие сопротивления у сверхпроводящих обмоток и,

следовательно, отсутствие выделения тепла позволяют обходиться такими

количествами жидкого гелия даже для самых крупных обмоток. Важно лишь обеспечить

очень хорошую теплоизоляцию области, где находится сверхпроводящая обмотка, с

тем чтобы тепло не поступало в эту область извне.

Самая лучшая теплоизоляция — это высокий вакуум (остаточное давление 10-5…10-6

мм рт. ст.). Теплопроводность остаточного газа в этом случае ничтожно мала для

того, чтобы обеспечить хоть сколько-нибудь заметную теплопередачу. При вакуумной

изоляции решающее значение приобретает теплопередача лучеиспусканием. Чтобы

ликвидировать или по крайней мере существенно снизить передачу тепла от области

с высокой температурой к низкотемпературной, на пути излучения в вакууме

необходимо поставить отражающие экраны, охлаждаемые каким-либо хладагентом.

Охлаждение экрана необходимо потому, что теплопередача излучением

пропорциональна разности четвертых степеней температур поверхностей. Снижая эту

разность, можно добиться еще большего эффекта теплоизоляции. Достаточно сказать,

что установка экрана, охлаждаемого жидким азотом, снижает приток тепла в

низкотемпературную область в 200 раз!

Хранят жидкий гелий в специальных сосудах Дьюара. Обычно они имеют сферическую

форму, поскольку сфера при данном объеме имеет самую маленькую поверхность, а

каждый лишний сантиметр поверхности — это и лишний приток тепла внутрь сосуда!

Наиболее часто употребляемый сосуд (модель СД-10Г) может вместить около 10 л

жидкого гелия. Гелий содержится в сферическом резервуаре, который расположен

внутри ванны с азотом, помещенной, в свою очередь, внутри сферического корпуса,

имеющего комнатную температуру. В пространстве между внешним корпусом и сосудами

с азотом и гелием создается глубокий вакуум. В таком сосуде в сутки теряется не

более 2 % гелия.

Существуют стандартные сосуды большей емкости, например, на 50, 80, 100 л.

Развитие сверхпроводниковой техники приведет к созданию значительно больших

емкостей. Уже сейчас для централизованного снабжения гелием используют гелиевые

цистерны вместимостью 10…30 тыс. л. В этих гигантских устройствах применяются

уже несколько иные принципы теплоизоляции. Здесь использована так называемая

многослойная вакуумэкранная изоляция. Она представляет собой вакуумный

промежуток, заполненный большим числом слоев алюминиевой фольги, проложенных

теплоизоляционными материалами, например стеклотканью или стеклобумагой.

Количество этих экранов может быть очень большим (более ста).

Можно считать в принципе решенной и проблему перекачки жидкого гелия по трубам,

особенно остро стоящую перед теми, кто занимается созданием сверхпроводниковых

линий электропередачи. Принцип, на котором создаются эти трубы, практически тот

же, что и используемый при создании сосудов Дьюара. Это внутренняя труба с

жидким гелием, окруженная концентрическим экраном, находящимся при температуре

жидкого азота и помещенным, в свою очередь, во внешний кожух, имеющий обычную

температуру. На внутренней поверхности гелиевой трубы нанесена пленка

сверхпроводника, она и является токопроводом такой линии электропередачи.

Первые эксперименты в области создания крупных криогенных систем приносят

обнадеживающие результаты. Можно быть уверенным в том, что уже в скором времени